Ускорение непрерывного сбраживания мелассного сусла / бражки с применением вакуума

В последние годы в технологии производства спирта из мелассы разработаны способы ускорения непрервного сбраживания, направленные на увеличение выхода дрожжевой биомассы в виде хлебопекарных дрожжей [3, 7] и увеличение крепости зрелой бражки (6). Ускорение непрерывного сбраживания свеклосахарной мелассы связано с дальнейшим повышением концентрации перерабатываемого сусла, что позволит увеличить крепость зрелой бражки, снизить удельные топливно-энергетические затраты на получение спирта, уменьшить количество стоков и увеличить плотность.

В УкрНИИСПе выявили закономерности анаэробного сбраживания мелассного сусла высокой концентрации и на этой основе разработали способ его эффективной переработки на спирт. При изучении влияния концентрации сбраживаемого сусла на технологические и качественные показатели сбраживания использовали следующий диапазон концентраций — 24, 28, 30, 32, 34 % СВ. Приготовляли сусло из свеклосахарной мелассы, содержащей 79,2 % СВ, имеющей рН 7,0. Сумма сбраживаемых Сахаров составила 49,3 %, инвертный сахар — 0,29 %. В качестве дополнительного питания в сусло вводили 0,1 % карбамида и 0,06 % ортофосфорной кислоты к массе мелассы.

Для каждого варианта опытов готовили 200 мл сусла соответствующей концентрации, помещали в колбы Эрленмейера и вносили дрожжи расы В из расчета 5,00 г/л в пересчете на 75 %-ную влажность. Колбы закрывали герметически сернокислотными шпунтами и ставили на брожение в термостат при температуре 28—30 °С.

Периодическим взвешиванием колб наблюдали динамику выделения газообразного диоксида углерода и по постоянству массы колб определяли завершение процесса сбраживания.

По окончании брожения полученную зрелую бражку перегоняли при нормальных условиях, в дистиллятах определяли крепость пикнометром и содержание вторичных продуктов брожения [2]. Содержание глицерина в барде определяли колориметрическим методом [4] , несброженные сахара в бражке — химико-колориметрическим методом с применением резорцина [5] .

Кроме технологических показателей сбраживания сусла определяли следующие характеристики процесса:

коэффициент ингибирования (Ки) процесса сахарами и продуктами обмена дрожжей, который определяли по формуле П. Делле [1]:

Ки = а + 4,5С,                                                         (1)

где а — содержание сбраживаемых Сахаров в сусле; или в зрелой бражке, % или г/ 100 мл;

С — содержание спирта, % об.;                          

удельную скорость роста (μ) дрожжей [8]:

μ = 2,303 / τ  * lg X1/X0                                         (2)

где Х0 и X1 — количество засевных дрожжей и дрожжевой биомассы в зрелой бражке, г/л;

τ — общая продолжительность сбраживания, ч

константу скорости сбраживания (Kc)[8]:

Kc = 2,303 / τ * lg C0 / C                                        (3)

где С0, С — концентрации сбраживаемых cахаров в исходном сусле и в зрелой бражке, г/100 мл или %;

экономический коэффициент (У) ис­пользования субстрата:

у= (С + X1 * Г) / a - S                                              (4)

где C - количество спиртопродуктов в зрелой бражке, г/л;

    X1 - количество дрожжевой биомассы 75 %-ной влажности в зрелой бражке, г/л;

             Г —  количество  глицерина   в   зрелой бражке, г/л;

              а — содержание сбраживаемых cахаров в исходном сусле, г/л;

              S — содержание несброженных cахаров в зрелой бражке, г/л.

Схема лабораторной установки:

1 — вакууметр, 2 — термометр; 3 — ферментер; 4 — мешалка; 5 — конденсатор спиртовых паров; 6 — кран-вакуум-прерыватель; 7 — спиртоловушка; 8 — влагоотделитель, 9 — вакуум-насос

Мелассное сусло концентрацией 35 % СВ сбраживали периодическим способом на установке, схема которой показана на рисунке. Она включает стеклянный бродильный сосуд — ферментер 3, оснащенный поверхностью теплообмена, контрольным термометром 2 и вакууметром 1; конденсатор 5, представляющий собой два стеклянных шариковых холодильника и приемник спиртового дистиллята; спиртоловушку 7, влагоотделитель 8 и вакуум-насос 9 марки Р 40/21 (ЧССР). Кран 6 служил для сброса вакуума в системе при остановке вакуум-насоса. В бродильном сосуде было мелассное сусло концентрацией 22 % СВ объемом 5 л, подкисленное серной кислотой до рН 5,0— 5,2. Туда же внесли минеральное питание: ортофосфорную кислоту — 0,06 % и карбамид — 0,1 % к массе взятой мелассы и с учетом дополнительной навески мелассы, рассчитанной на данный объем сусла и вносимой в него после вакуумирования для повышения начальной концентрации сусла до 35 % СВ.

Вакуумировали бражку при давлении 53,2—66,5 гПа и температуре 32 — 33°С. Газообразную смесь, выделяе­мую из бражки, разделяли в конденсаторе на спиртовой дистиллят и газообразный диоксид углерода. Хладоагентом служила водопроводная вода температурой 8 — 10°С. Газообразный диоксид углерода полностью освобождали от спирта в абсорбционной спиртоловушке.

Спиртовой дистиллят и водно-спиртовую жидкость учитывали по объему и в них определяли крепость спиртомером и содержание вторичных продуктов брожения. Вакуумировали бражку при постоянной подаче в поверхность теплообмена бродильного сосуда горячей воды для поддержания в ней температуры брожения 32 — 33°С.

Результаты сбраживания мелассного сусла различной концентрации с получением зрелой бражки приведены в табл. 1. Концентрация сбраживаемого сусла характеризовала крепость зрелой бражки, величину которой необходимо рассматривать в зависимости от содержания в ней несброженных Сахаров. В нормативные потери сбраживаемых Сахаров со зрелой бражкой включались потери на сбраживание мелассного сусла концентрацией 24 % СВ ~2 % по отношению к введенным на брожение.

С возрастанием концентрации сусла крепость зрелой бражки увеличилась до 11,486% об. для 32 %-ного сусла, но наблюдался значительный рост содержания несброженных Сахаров: от 3,2 % для 28 %-ного сусла до 21,3 % по отношению к введенным для 34 %-ного сусла. Это обстоятельство определяло уменьшение выхода спирта с 64,97 дал на 1 тонну условного крахмала мелассы для 24 %-ного сусла до 53,58 дал на 1 тонну условного крахмала мелассы для 34 %-ного сусла. Качественные показатели сбраживания мелассного сусла приве­дены в табл. 2.

Влияние исходной концентрации сбраживаемого сусла должно рассматриваться как фактор ингибирования скорости с последующим перерастанием его в фактор ингибирования продуктами обмена дрожжей — спиртом и вторичными продуктами брожения. Последний фактор ингибирования и определял увеличение продолжительности сбраживания до 76 час для сусла 34 %-ной концентрации при снижении скорости роста дрожжей почти в три раза и константы скорости сбраживания в 4 раза по сравнению со сбраживанием сусла 24 %-ной концентрации.

Таблица 1

Кроме этих показателей с ростом концентрации сбраживаемого сусла снижался экономический коэффициент использования субстрата на основные продукты ферментации мелассы.

Из результатов исследований следует, что традиционные способы сбраживания не позволяют эффективно переработать на спирт сахарсодержащее сырье с высокой концентрацией исходного сусла. Одним из путей ликвидации отрицательного влияния продуктов обмена дрожжей на степень сбраживания углеводов сусла с высокой концентрацией сухих веществ СВ может быть применение вакуума для удаления образовавшихся спиртопродуктов и, следовательно, понижения коэффициента ингибирования процесса.

Результаты сбраживания мелассного сусла концентрацией 35% СВ с применением вакуума приведены в табл. 3. Вакуумирование бражки при температуре брожения снижало ее крепость с 5,6 до 5,0% об., но при этом наряду с извлечением спирта и спиртопродуктов из бражки протекало сбраживание Сахаров и содержание несброженных Сахаров уменьшалось с 6,88 до 4,50 грамм на 100 мл бражки. При вакуумировании бражки было получено 140 мл спиртового дистиллята крепостью 30,6 % об., или 42,84 мл безводного спирта и 1030 мл водно-спиртовой жидкости крепостью 3,9 % об., или 40,17 мл безводного спирта.

Таблица 3

Извлечение спирта и спиртопродуктов из бражки снижало коэффициент ингибирования процесса с 32,08 до 27,0 и позволяло ввести дополнительное количество мелассы, т. е. повысить начальную концентрацию сусла до 35 % СВ.

В дальнейшем, в течение 8 ч брожения, крепость бражки возросла до 10,25 % об., а содержание несброженных Сахаров в зрелой бражке составляло 0,471 г на 100 мл. При этих показателях зрелой бражки коэффициент ингибирования равнялся 46,6 и был ниже этого коэффициента сбраживания сусла концентрацией 28 % СВ периодическим способом.

Таким образом, концентрация мелассного сусла для традиционных способов сбраживания ограничивается 26—28 % СВ из-за ингибирования процесса продуктами обмена дрожжей. Применение вакуума на стадии анаэробного сбраживания позволяет извлечь из бражки часть образовавшихся спирта и спиртопродуктов, понизить коэффициент ингибирования процесса и за счет этого, добавлением неразбавленной мелассы значительно повысить концентрацию сбраживаемого сусла, а следовательно, крепость зрелой бражки.

Список использованной литературы

1. Биотехнология микробного синтеза / под ред. М.Е. Беккера. — Рига: Зинатне, 1980.

2.  Инструкция по технохимическому контролю спиртового производства. — М.: Пищевая промышленность, 1967.

3. Коваленко А. Д., Янчевский В. К. Усовершенствованный способ брожения мелассы. — Пищевая промышленность, 1979, № 1.

4. Коваль В. Г., Бойко Л. М., Ковальчук Е. П. Дистилляционно-колориметрический метод определения содержания глице­рина в биологических средах. — М.: ЦНИИТЭИпишепром, 1978, № 4.

5. Новый фотоколориметрический метод оп­ределения несброженных углеводов в мелассной барде. — Труды УкрНИИСП, 1972.

6. Производственные испытания технологии сбраживания мелассного сусла повышенной концентрации / [С. Т. Олийничук, А. Д. Ко­валенко, А. Ф. Ткаченко и др.]. — Фер­ментная и спиртовая промышленность, 1980, № 8.

7. Янчевский В. К., Коваленко А. Д., Яровенко В. Л. Оптимизация однопоточного способа сбраживания мелассы в двухпродуктовом производстве. — Ферментная и спиртовая промышленность, 1983, № 6.

8. Янчевский В. К., Коваленко А. Д., Яровенко В, Л. Кинетические показатели дрожжегенерирования при производстве спирта из мелассы. — Ферментная и спиртовая промышленность, 1982, № 3.

9. Янчевский В. К., Малыш Л. В, Егоров А.А. Схемы непрервных бродильных установок с элементами под вакуумом — Ферментная и спиртовая промышленность, 1987, № 3.